En física de la materia condensada y ciencia de materiales , un sólido amorfo (o sólido no cristalino ) es un sólido que carece del orden de largo alcance característico de un cristal . Los términos " vidrio " y "sólido vítreo" se utilizan a veces como sinónimos de sólido amorfo; sin embargo, estos términos se refieren específicamente a materiales amorfos que sufren una transición vítrea . [1] Ejemplos de sólidos amorfos incluyen vidrios, vidrios metálicos y ciertos tipos de plásticos y polímeros . [2] [3]
El término proviene del griego a ("sin") y morphé ("figura, forma").
Los materiales amorfos tienen una estructura interna que consta de bloques estructurales interconectados que pueden ser similares a las unidades estructurales básicas que se encuentran en la fase cristalina correspondiente del mismo compuesto. [4] Sin embargo, a diferencia de los materiales cristalinos, no existe un orden de largo alcance. Por lo tanto, los materiales amorfos no pueden definirse mediante una celda unitaria finita. Los métodos estadísticos, como la función de densidad atómica y la función de distribución radial , son más útiles para describir la estructura de sólidos amorfos. [1] [3]
Aunque los materiales amorfos carecen de orden de largo alcance, exhiben un orden localizado en escalas de longitud pequeñas. El orden localizado en materiales amorfos se puede clasificar como orden de corto o medio alcance. [1] Por convención, el orden de corto alcance se extiende sólo hasta la capa vecina más cercana, normalmente sólo 1-2 espaciamientos atómicos. [5] El orden de alcance medio se define entonces como la organización estructural que se extiende más allá del orden de corto alcance, generalmente entre 1 y 2 millas náuticas. [5]
La congelación del estado líquido al sólido amorfo ( transición vítrea ) se considera uno de los problemas más importantes y no resueltos de la física .
A temperaturas muy bajas (por debajo de 1-10 K), una gran familia de sólidos amorfos tiene varias propiedades similares a bajas temperaturas. Aunque existen varios modelos teóricos, ni la transición vítrea ni las propiedades de los sólidos vítreos a baja temperatura se comprenden bien a nivel de física fundamental .
Los sólidos amorfos son un área importante de la física de la materia condensada cuyo objetivo es comprender estas sustancias a altas temperaturas de transición vítrea y a bajas temperaturas hacia el cero absoluto . A partir de la década de 1970, las propiedades a baja temperatura de los sólidos amorfos se estudiaron experimentalmente con gran detalle.[6] [7] Para todas estas sustancias, el calor específico tiene una dependencia (casi) lineal en función de la temperatura, y la conductividad térmica tiene una dependencia de la temperatura casi cuadrática. Estas propiedades se denominan convencionalmente anómalas siendo muy diferentes a las propiedades de los sólidos cristalinos .
En el nivel fenomenológico, muchas de estas propiedades fueron descritas por una colección de sistemas de túneles de dos niveles. [8] [9] Sin embargo, la teoría microscópica de estas propiedades aún falta después de más de 50 años de investigación.[10]
Sorprendentemente, una cantidad adimensional de fricción interna es casi universal en estos materiales. [11] Esta cantidad es una relación adimensional (hasta una constante numérica) entre la longitud de onda del fonón y el camino libre medio del fonón . Dado que la teoría de los estados de dos niveles (TLS) de túneles no aborda el origen de la densidad de los TLS, esta teoría no puede explicar la universalidad de la fricción interna, que a su vez es proporcional a la densidad de los TLS de dispersión. Anthony Leggett destacó la importancia teórica de este importante problema sin resolver . [12]
Los materiales amorfos tendrán cierto grado de orden de corto alcance en la escala de longitud atómica debido a la naturaleza del enlace químico intermolecular . [a] Además, en cristales muy pequeños , el orden de corto alcance abarca una gran fracción de los átomos ; sin embargo, la relajación en la superficie, junto con los efectos interfaciales, distorsiona las posiciones atómicas y disminuye el orden estructural. Incluso las técnicas de caracterización estructural más avanzadas, como la difracción de rayos X y la microscopía electrónica de transmisión , tienen dificultades para distinguir estructuras amorfas y cristalinas a escalas de corta longitud. [13]
Debido a la falta de orden de largo alcance, las técnicas cristalográficas estándar suelen ser inadecuadas para determinar la estructura de sólidos amorfos. [14] Se han utilizado una variedad de técnicas basadas en electrones, rayos X y computación para caracterizar materiales amorfos. El análisis multimodal es muy común para materiales amorfos.
A diferencia de los materiales cristalinos que exhiben una fuerte difracción de Bragg , los patrones de difracción de los materiales amorfos se caracterizan por picos amplios y difusos. [15] Como resultado, se requieren análisis detallados y técnicas complementarias para extraer información estructural del espacio real a partir de los patrones de difracción de materiales amorfos. Es útil obtener datos de difracción de fuentes de rayos X y de neutrones, ya que tienen diferentes propiedades de dispersión y proporcionan datos complementarios. [16] El análisis de la función de distribución de pares se puede realizar en datos de difracción para determinar la probabilidad de encontrar un par de átomos separados por una cierta distancia. [15] Otro tipo de análisis que se realiza con datos de difracción de materiales amorfos es el análisis de la función de distribución radial, que mide el número de átomos que se encuentran a diferentes distancias radiales de un átomo de referencia arbitrario. [17] A partir de estas técnicas, se puede dilucidar el orden local de un material amorfo.
La espectroscopia de estructura fina de absorción de rayos X es una sonda a escala atómica que la hace útil para estudiar materiales que carecen de orden de largo alcance. Los espectros obtenidos mediante este método proporcionan información sobre el estado de oxidación , el número de coordinación y las especies que rodean al átomo en cuestión, así como las distancias a las que se encuentran. [18]
La técnica de la tomografía electrónica atómica se realiza en microscopios electrónicos de transmisión capaces de alcanzar una resolución sub-Angstrom. A partir de la muestra en cuestión se adquiere una colección de imágenes 2D tomadas en numerosos ángulos de inclinación diferentes y luego se utiliza para reconstruir una imagen 3D. [19] Después de la adquisición de la imagen, se debe realizar una cantidad significativa de procesamiento para corregir problemas como la deriva, el ruido y la distorsión del escaneo. [19] El análisis y el procesamiento de alta calidad mediante tomografía electrónica atómica dan como resultado una reconstrucción 3D de un material amorfo que detalla las posiciones atómicas de las diferentes especies que están presentes.
La microscopía electrónica de fluctuación es otra técnica basada en la microscopía electrónica de transmisión que es sensible al orden de rango medio de materiales amorfos. Con este método se pueden detectar fluctuaciones estructurales que surgen de diferentes formas de orden de rango medio. [20] Los experimentos de microscopía electrónica de fluctuación se pueden realizar en modo de microscopio electrónico de transmisión convencional o de barrido . [20]
Las técnicas de simulación y modelado suelen combinarse con métodos experimentales para caracterizar estructuras de materiales amorfos. Las técnicas computacionales comúnmente utilizadas incluyen la teoría del funcional de la densidad , la dinámica molecular y Monte Carlo inverso . [14]
Las fases amorfas son constituyentes importantes de las películas delgadas . Las películas delgadas son capas sólidas de unos pocos nanómetros a decenas de micrómetros de espesor que se depositan sobre un sustrato. Para describir la microestructura de películas delgadas se desarrollaron los llamados modelos de zonas estructurales en función de la temperatura homóloga ( T h ), que es la relación entre la temperatura de deposición y la temperatura de fusión. [21] [22] Según estos modelos, una condición necesaria para la aparición de fases amorfas es que ( Th ) tenga que ser menor que 0,3. La temperatura de deposición debe ser inferior al 30% de la temperatura de fusión. [b] [ cita necesaria ]
En cuanto a sus aplicaciones, las capas metálicas amorfas jugaron un papel importante en el descubrimiento de la superconductividad en metales amorfos realizado por Buckel y Hilsch. [23] [24] Ahora se entiende que la superconductividad de los metales amorfos, incluidas las películas delgadas metálicas amorfas, se debe al emparejamiento de Cooper mediado por fonones . El papel del desorden estructural puede racionalizarse basándose en la teoría de la superconductividad de Eliashberg de acoplamiento fuerte. [25]
Los sólidos amorfos suelen exhibir una mayor localización de los portadores de calor en comparación con los cristalinos, lo que da lugar a una baja conductividad térmica. [26] Los productos de protección térmica, como los revestimientos de barrera térmica y el aislamiento, se basan en materiales con una conductividad térmica ultrabaja. [26]
Hoy en día, los recubrimientos ópticos hechos de TiO 2 , SiO 2 , Ta 2 O 5, etc. (y combinaciones de estos) en la mayoría de los casos consisten en fases amorfas de estos compuestos. Se llevan a cabo muchas investigaciones sobre películas finas amorfas como capa de membrana separadora de gases . [27] La película amorfa delgada tecnológicamente más importante está probablemente representada por unas capas delgadas de SiO 2 de unos pocos nm que sirven como aislante sobre el canal conductor de un transistor de efecto de campo semiconductor de óxido metálico (MOSFET). Además, el silicio amorfo hidrogenado (Si:H) tiene importancia técnica para las células solares de película delgada . [c] [28]
En la industria farmacéutica , se ha demostrado que algunos fármacos amorfos ofrecen una mayor biodisponibilidad que sus homólogos cristalinos como resultado de la mayor solubilidad de la fase amorfa. Sin embargo, ciertos compuestos pueden sufrir precipitación en su forma amorfa in vivo y luego pueden disminuir la biodisponibilidad mutua si se administran juntos. [29] [30]
Los materiales amorfos en el suelo influyen fuertemente en la densidad aparente , la estabilidad de los agregados , la plasticidad y la capacidad de retención de agua de los suelos. La baja densidad aparente y las altas proporciones de huecos se deben principalmente a que los fragmentos de vidrio y otros minerales porosos no se compactan . Los suelos Andisol contienen las mayores cantidades de materiales amorfos. [31]
La aparición de fases amorfas resultó ser un fenómeno de particular interés para el estudio del crecimiento de películas delgadas. [32] El crecimiento de películas policristalinas se utiliza a menudo y está precedido por una capa amorfa inicial, cuyo espesor puede ascender a sólo unos pocos nm. El ejemplo más investigado lo representan las moléculas no orientadas de finas películas de silicio policristalino. [d] [33] Se identificó mediante microscopía electrónica de transmisión que los policristales en forma de cuña crecen a partir de la fase amorfa solo después de que esta última ha excedido un cierto espesor, cuyo valor preciso depende de la temperatura de deposición, la presión de fondo y varios otros procesos. parámetros. El fenómeno ha sido interpretado en el marco de la regla de etapas de Ostwald [34] que predice que la formación de fases procederá con un tiempo de condensación cada vez mayor hacia una estabilidad cada vez mayor. [24] [33] [e]
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